無(wú)人機(jī)：3D打印已占物料清單1%，未來(lái)可達(dá)90%，GA-ASI萬(wàn)級(jí)零件將全面投產(chǎn)

南極熊導(dǎo)讀：在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，3D打印已經(jīng)顯示出強(qiáng)大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和潛力。目前原子航空系統(tǒng)公司的無(wú)人機(jī)中，3D打印零件已占物料清單（BOM）的1%，未來(lái)小型無(wú)人機(jī)最高可達(dá)90%。

通用原子航空系統(tǒng)公司 (GA-ASI)是遙控飛機(jī) (RPA) 系統(tǒng)的領(lǐng)先設(shè)計(jì)者和制造商。在 AMUG 2023 會(huì)議上的一次演講中，GA-ASI 的增材制造部門(mén)經(jīng)理 Steve Fournier 向外界展示了所涉及的增材制造業(yè)務(wù)范圍：從聚合物（FDM、SLS）到金屬（L-PBF、DED-W），再到復(fù)合材料（LSAM、BJP）的各類(lèi)3D打印應(yīng)用。

GA-ASI下一步計(jì)劃是通過(guò)與 Divergent 的專(zhuān)家和先驅(qū)合作來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的工作流程集成，以實(shí)施他們的 DAPS 功能。Fournier 表示：“增材制造的未來(lái)是光明的”。

以增材制造為中心

2021 年，通用原子航空系統(tǒng)公司建立了新的增材設(shè)計(jì)與制造 (AD&M) 卓越中心，專(zhuān)注于使用功能齊全且可飛行的增材制造應(yīng)用、研發(fā)、大型工具和下一代飛行硬件，對(duì) GA-ASI 的無(wú)人機(jī)系統(tǒng) (UAS) 系列進(jìn)行快速制造。

在過(guò)去的十年中，GA-ASI 投資于增材制造技術(shù)的引入，并在五年前組建了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的增材制造業(yè)務(wù)部門(mén)。Fournier 解釋說(shuō)，事實(shí)證明，增材制造活動(dòng)的集中化是一針強(qiáng)大的催化劑，它推動(dòng)了增材制造在集成、應(yīng)用工業(yè)化、飛行硬件制造、降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和知識(shí)轉(zhuǎn)移等方面的成功應(yīng)用。

GA-ASI 已對(duì)用于生產(chǎn)的不同增材制造模式的 350 多個(gè)飛行部件進(jìn)行了認(rèn)證。為了開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證用于飛行部件增材制造的應(yīng)用程序，該公司正在擴(kuò)展其增材制造生態(tài)系統(tǒng)。這款生態(tài)系統(tǒng)由將增材制造應(yīng)用程序從原型階段（一次打�。┨嵘�到生產(chǎn)級(jí)階段（持續(xù)打印正確）所需的關(guān)鍵要素組成。

Fournier 先生透露，GA-ASI目前每年增材制造約 7,500 個(gè)零件。總體而言，在最新的UAS 平臺(tái) MQ-9B SkyGuardian 上，該公司節(jié)省了超過(guò) 200 萬(wàn)美元的工具成本，每架飛機(jī)節(jié)省了超過(guò) 30 萬(wàn)美元的常規(guī)成本（該飛機(jī)平臺(tái)上約有 240 個(gè)增材制造零件）。在增材制造生態(tài)系統(tǒng)的推動(dòng)下，增材制造應(yīng)用的數(shù)量持續(xù)快速增長(zhǎng)，其生產(chǎn)的飛機(jī)上有超過(guò) 10,000 個(gè)增材制造組件。特別是MQ-9B SkyGuardian和SeaGuardian型號(hào)在增材制造零件的使用方面處于行業(yè)領(lǐng)先地位。增材制造組件的總飛行小時(shí)數(shù)已超過(guò) 300,000 小時(shí)。

GA-ASI 總裁 David R.Alexander 解釋道：“GA-ASI 不斷尋找方法來(lái)啟用、加速增材制造技術(shù)并將其集成到我們的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和產(chǎn)品中。通過(guò)我們的 AD&M 卓越中心，我們正在對(duì)增材制造應(yīng)用采用結(jié)構(gòu)化且嚴(yán)格的資格流程，與傳統(tǒng)制造方法相比，這為我們提供了積極的業(yè)務(wù)案例。通過(guò)全面、整體的方法，我們的增材制造專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)正在努力推動(dòng)增材制造零件的應(yīng)用，以升級(jí)我們的飛機(jī)并最終造福我們的客戶。”

未來(lái)的基礎(chǔ)

GA-ASI 的增材制造生態(tài)系統(tǒng)推動(dòng)了公司內(nèi)部可重復(fù)且可靠的生產(chǎn)級(jí) 3D 打印的發(fā)展，但這并不像看起來(lái)那么容易。GA-ASI 的增材制造基礎(chǔ)生態(tài)系統(tǒng)基于十幾個(gè)不同的要素，從材料可行性、等效性到研發(fā)和資本支出資金。

通過(guò)與 Divergent 合作進(jìn)行全自動(dòng) UAS 生產(chǎn)，將10,000個(gè)增材制造零件在 GA-ASI 投入全面生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)控制的流程、應(yīng)用程序團(tuán)隊(duì)的建立以及明確的擴(kuò)展路線圖對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)充。GA-ASI 在其 AD&M 卓越中心開(kāi)展一些重復(fù)性生產(chǎn)活動(dòng)，但對(duì)快速反應(yīng)和低速率制造的需求需要開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的增材制造供應(yīng)鏈，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的最終用途熱塑性塑料和金屬的超額生產(chǎn)部分。

正如 Fournier 所解釋的那樣，“增材制造生態(tài)系統(tǒng)的深度因每個(gè)增材制造應(yīng)用而異，并由應(yīng)用任務(wù)關(guān)鍵性、適航機(jī)構(gòu)的資格要求、質(zhì)量保證/過(guò)程控制可用性和應(yīng)用跟蹤記錄等方面驅(qū)動(dòng)。”

更具體地說(shuō)，增材制造在 GA-ASI 產(chǎn)品生命周期中的使用很早就開(kāi)始了，甚至在產(chǎn)品構(gòu)思之前就開(kāi)始了。在純粹的業(yè)務(wù)分析層面上，它有助于增加 P-win。在概念階段，它有助于加快上市時(shí)間。在設(shè)計(jì)階段它還可以實(shí)現(xiàn)高度集成。對(duì)于實(shí)際的原型，它可以實(shí)現(xiàn)無(wú)工具制造。當(dāng)進(jìn)入生產(chǎn)階段時(shí)，增材制造在降低 LRIP（低速初始生產(chǎn)）成本方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，同樣通過(guò)無(wú)工具制造和高水平集成。對(duì)于GA-ASI 的許多產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這些優(yōu)勢(shì)繼續(xù)在整個(gè)規(guī)模生產(chǎn)中得到應(yīng)用，從而提高了系統(tǒng)可用性，特別是在現(xiàn)有產(chǎn)品生命周期內(nèi)的維護(hù)方面，集成度和零件復(fù)雜度越高，增材制造的價(jià)值主張變得越清晰。如今增材制造約占物料清單 (BOM) 的 1%，目標(biāo)是在大型平臺(tái)上增加到 5% BOM，在小型 UAS 上增加到30% 到 90%。

深入了解增材制造

就生產(chǎn)的增材制造零件的類(lèi)型而言，這一切歸結(jié)什么呢？就聚合物增材制造技術(shù)而言，完全基于熱塑性塑料，F(xiàn)DM 主要用于零件整合和替代。這意味著更換層壓部件、創(chuàng)建大型保形空氣管理系統(tǒng)、層壓工具和適應(yīng)性地面控制設(shè)備。未來(lái)的應(yīng)用將包括燃料兼容（即耐化學(xué)腐蝕）材料以及用于金屬替代應(yīng)用的連續(xù)纖維增強(qiáng) 3D 打印零件。

聚合物 PBF 應(yīng)用（目前僅限 SLS）還包括層壓部件轉(zhuǎn)換，同時(shí)還利用該技術(shù)更大的幾何自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜歧管、保形工具和大型管道組件的制造。未來(lái)的發(fā)展將著眼于越來(lái)越大的裝配體。一個(gè)特別有趣的應(yīng)用是與 Hexcel 合作，利用 HexAM 技術(shù)對(duì) PEKK 基復(fù)合材料（最初由 Oxford Performance Materials開(kāi)發(fā)）進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)，用于生產(chǎn)外模線和內(nèi)模線（OML 和IML）。增材制造實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀提供了設(shè)計(jì)自由度和更簡(jiǎn)單的制造工藝，以提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的性能和操作。

在金屬領(lǐng)域，LPBF 也主要被視為零件整合和替代的解決方案，應(yīng)用于層壓板到增材制造的轉(zhuǎn)換、集成流體歧管、OML（外模線）整流罩以及發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣部件。另一個(gè)非常有趣的應(yīng)用是集成熱交換器 (HX)。GA-ASI 與 Conflux Technology 合作，為其 MQ-9B SkyGuardian 和 SeaGuardian 設(shè)計(jì)和制造新型燃油熱交換器 (FOHE)。自 2018 年以來(lái)，兩家公司總共開(kāi)展了四個(gè)不同的增材制造項(xiàng)目，最近他們開(kāi)發(fā)了一款冷板熱交換器，為各種 GA-ASI 無(wú)人機(jī)平臺(tái)中使用的高耗散線路可更換單元 (LRU) 提供額外的冷卻能力。金屬 L-PBF 應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展方向包括更大的整合、

金屬 DED 技術(shù)使用線材作為原料，被視為可以顯著降低大型零件制造成本的關(guān)鍵推動(dòng)因素。GA-ASI 一直致力于與 Norsk Titanium 合作完成A 類(lèi)和 B 類(lèi)鈦部件的增材制造生態(tài)系統(tǒng)資格認(rèn)證以及供應(yīng)商資格認(rèn)證。其他 DED 合作伙伴包括專(zhuān)注于復(fù)雜 INVAR 和鋼層壓模具應(yīng)用的 Lincoln Electric。未來(lái)的增長(zhǎng)目標(biāo)是更多的鎳鉻鐵合金材料的應(yīng)用。

GA-ASI 當(dāng)前的許多增材制造應(yīng)用（主要用于模具）也專(zhuān)注于復(fù)合材料 (LSAM) 和砂（粘合劑噴射）中的大幅面 3D 打印技術(shù)。LSAM 零件（例如由 Thermwood 生產(chǎn)的零件）用于復(fù)合材料層壓板的 RT 銑床夾具，但也用于一些大型最終用途組件，例如長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá) 5 米的地面應(yīng)用。未來(lái)，這些部件的尺寸可能會(huì)增長(zhǎng)到 6 至 13 米的長(zhǎng)度。使用砂粘合劑噴射系統(tǒng)可在模具和沖洗方面節(jié)省高達(dá) 2-3 倍的成本，未來(lái)的目標(biāo)是生產(chǎn)母版和日益定制的打印機(jī)以滿足特定要求。

增材制造不是最終目標(biāo)，數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造才是

增材制造行業(yè)的每個(gè)人都非常清楚，以增材制造為核心的全數(shù)字化端到端制造流程的實(shí)施充滿了許多需克服的挑戰(zhàn)。工作流程必須從功能/增材制造/裝配設(shè)計(jì)開(kāi)始，繼續(xù)進(jìn)行打印和精加工，繼續(xù)快速零件檢查和質(zhì)量，最后實(shí)施流程集成以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。

為了解決其中的許多挑戰(zhàn)，GA-ASI正式與 Divergent Technologies公司合作。該公司開(kāi)發(fā)了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)設(shè)計(jì)、制造和組裝車(chē)輛結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為 Divergent 自適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng) (DAPS)。GA-ASI 現(xiàn)在正在尋求驗(yàn)證這一功能并將其應(yīng)用到其一些 UAS 平臺(tái)。

此次聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目于2022年啟動(dòng)，并在多個(gè)平臺(tái)上建立了更牢固的戰(zhàn)略伙伴關(guān)系。兩家公司已經(jīng)完成了兩個(gè)項(xiàng)目，利用基于模型、人工智能驅(qū)動(dòng)和拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)完全集成的小型（<500磅）無(wú)人機(jī)航空結(jié)構(gòu)。集成金屬結(jié)構(gòu)采用 3D 打�。�每個(gè)節(jié)點(diǎn)的打印時(shí)間低于 13 小時(shí)），這使得集成零件數(shù)量減少了95%以上，同時(shí)滿足了重量目標(biāo)。

DAPS 流程通過(guò)創(chuàng)建小型 UAS(SUAS) 的完整數(shù)字孿生來(lái)檢查每個(gè)打印組件，然后將其應(yīng)用于全自動(dòng)、免工具機(jī)器人裝配流程，整個(gè)流程不到 20分鐘即可完成。這一過(guò)程使團(tuán)隊(duì)能夠在不到兩天的時(shí)間內(nèi)從可打印的 SUAS 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆�組裝的可交付機(jī)身。GA-ASI 預(yù)計(jì)這種能力將在未來(lái)實(shí)現(xiàn)近戰(zhàn)區(qū)坡道能力，以支持作戰(zhàn)人員。

這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和制造方法帶來(lái)了高度集成的重量和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)自然但不完全地利用增材制造技術(shù)，顯著降低機(jī)身的常規(guī)成本，同時(shí)為多個(gè)平臺(tái)變體提供快速的無(wú)工具迭代設(shè)計(jì)方法。Fournier 總結(jié)道：“通過(guò)適用于增材制造使用的適當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)，工業(yè)生產(chǎn)級(jí)增材制造對(duì)于國(guó)防和民用無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)是可能的。但是，增材制造不應(yīng)該是最終目標(biāo)，而應(yīng)該是支持全數(shù)字制造流程工作流程的支持技術(shù)套件�！�